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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Schweißverfahren, vorzugsweise ein
robotergestütztes
Schweißverfahren,
mit WIG-Brenner und Zusatzmetall in Form eines oder mehrerer Schmelzdrähte, wie
es in dem Dokument
US-A-3483354 beschrieben
ist.
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Aus
den Dokumenten
US-A-5512726 und
DE-A-3542984 ist
eine herkömmliche
WIG-Brennerkonfiguration mit Schmelzdrahtzufuhr bekannt, bei der
die Zuführung
des Schmelzdrahts in das Schmelzbad horizontal oder nahezu horizontal
vorgenommen wird, derart, das eine tropfenweise Übertragung von geschmolzenem Metall
bzw. Schweißgut
vom schmelzbaren Ende des Schmelzdrahts zur Schweißzone, d.
h. den miteinander zu verschweißenden
oder hart zu verlötenden
Teilen erhalten wird.
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Dieser
Typ von Brennerkonfiguration weist Nachteile auf. Da die einzig
vorhandene Kraft für
die Übertragung
des Metalls zur Schweißzone
die Schwerkraft ist, verursacht insbesondere die tropfenweise Übertragung
von Metall ein unregelmäßiges Aussehen
der Schweißraupe,
eine Gefahr der Verschmutzung der nicht schmelzbaren Wolframelektrode
durch unerwarteten Kontakt mit einem (oder mehreren) Metalltropfen
und manchmal Probleme, vor allem an engen oder schwer zugänglichen
Stellen eine Arbeit an Ort und Stelle zu verwirklichen.
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Ferner
ist in Anbetracht dessen, dass bei der Durchführung eines solchen Verfahrens
eine bestimmte Richtfähigkeit
erforderlich ist, um die Drahtzuführung längs der Achse der zu schweißenden Verbindungsstelle zu
orientieren, die sechste Achse des Roboters, der den WIG-Brenner
trägt,
blockiert, womit dessen Freiheitsgrade eingeschränkt sind.
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Im Übrigen ist
bekannt, dass bei diesem Konfigurationstyp die Produktivität des Verfahrens,
insbesondere die Schweißgeschwindigkeit,
die Drahtzuführgeschwindigkeit
und den Absetzgrad betreffend, beeinträchtigt ist.
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Das
sich stellende Problem ist das Verbessern der gegenwärtigen robotergestützten WIG-Schweißverfahren
mit Zusatzmetall, um Schweißungen
mit erhöhter
Produktivität,
insbesondere mit einer Schweißgeschwindigkeit
von wenigstens 50 cm/min, und guter Qualität, d. h. ohne Überstände, Silikate
und Oxide, vornehmen zu können,
derart, dass die Robotisierung dieser WIG-Verfahren mit Zusatzmetall erleichtert
wird und ihre Leistungen erhöht
werden.
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Eine
Lösung
der Erfindung ist ein Lichtbogenschweißverfahren, das einen WIG-Brenner
verwendet, der mit einer nicht schmelzbaren Elektrode und einem
schmelzbaren Schweißdraht
versehen ist, wobei das Ende des Schmelzdrahts durch einen Lichtbogen,
der zwischen der nicht schmelzbaren Elektrode und wenigstens einem
zu verschweißenden
Teil erzeugt wird, progressiv geschmolzen wird, derart, dass eine Übertragung
des geschmolzenen Metalls von dem Draht zu dem Teil erfolgt und
somit eine Schweißnaht
erhalten wird, und das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Zufuhr
des Schmelzdrahts unter einem Winkel (α) kleiner als 50° in Bezug
auf die Achse der Elektrode erfolgt, das Ende des Schmelzdrahts
ständig
in einem Abstand (D) kleiner als 2 mm in Bezug auf das Ende der
Elektrode aus Wolfram des WIG-Brenners geführt und gehalten wird und die Übertragung
des Metalls zu der Schweißnaht
durch eine Flüssigkeitsbrücke erfolgt,
derart, dass während
des Schweißens
ein ständiger
Kontakt zwischen dem Bad aus die Schweißnaht bildender Metallschmelze
und dem geschmolzenen Ende des Schweißdrahts vorhanden ist.
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Je
nach Fall kann das Verfahren der Erfindung eines oder mehrere der
folgenden Merkmale umfassen:
- – Es wird
mit einer Drahtgeschwindigkeit (Vfil) bis zu 20 m/min und insbesondere
im Bereich von 1 bis 10 m/min geschweißt.
- – Es
werden mehrere Metallteile miteinander verschweißt.
- – Die
Zuführung
des schmelzbaren Drahts erfolgt unter einem Winkel im Bereich von
10 bis 25° und
vorzugsweise von etwa 15 bis 20° in
Bezug auf die Achse der Elektrode.
- – Das
Ende des Schmelzdrahts wird ständig
in einem Abstand kleiner als 1,5 mm in Bezug auf das Ende der Elektrode
aus Wolfram des WIG-Brenners, vorzugsweise in einem Abstand in der
Größenordnung
von etwa 1 mm, geführt
und gehalten. Jedoch darf die Oberfläche des Endes des Drahts keinesfalls
mit der Wolframelektrode in Kontakt kommen.
- – Während des
Schweißens
wird ein gasförmiger
Schutz der in der Bildung befindlichen Schweißnaht vor der Elektrode aus
Wolfram und vor dem Draht bewirkt.
- – Es
wird ein gasförmiger
Schutz mit einem Gas bewirkt, das aus Argon, Helium, Stickstoff
und den Gemischen aus Argon und Wasserstoff gewählt ist.
- – Es
wird an einem robotisierten Schweißarm, der einen WIG-Brenner
mit nicht schmelzbarer Elektrode und Mittel zum Zuführen des
schmelzbaren Schweißdrahts
trägt,
oder als manuelles oder automatisches Schweißen ausgeführt.
- – Es
wird ausgeführt,
um ein oder mehrere Teile aus Stahl, insbesondere aus galvanisiertem
oder verzinktem Stahl, aus Aluminium, aus Edelstählen oder aus anderen metallischen
Materialien zu verschweißen oder
zu verlöten.
- – Die
Stärke
des Stroms, mit der der WIG-Brenner versorgt wird, liegt im Bereich
zwischen 10 A und 350 bis 400 A, und die Spannung liegt im Bereich
zwischen 10 V und 20 V.
- – Der
Draht hat einen Durchmesser im Bereich von 0,6 mm bis 1,6 mm bei
einer Drahtgeschwindigkeit bis zu 20 m/min je nach Durchmesser des
verwendeten Drahts.
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Das
Verfahren der Erfindung beruht folglich darauf, eine Übertragung
von geschmolzenem Metall in Form einer Flüssigkeitsbrücke oder eines Strahl aus flüssigem Metall
zwischen dem Schweißdraht
und der zu schweißenden
Zone zu verwirklichen, derart, dass ein permanenter Kontakt zwischen
dem Metallschmelzebad und dem Zusatzmetall erhalten wird.
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Anders
gesagt, die Übertragung
von Metall erfolgt nicht tropfenweise wie im Stand der Technik,
sondern zufolge einer Flüssigkeitsbrücke aus
Metallschmelze.
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Die Übertragung
durch eine Flüssigkeitsbrücke gemäß der Erfindung
kann in einem Bereich von Drahtzufuhrgeschwindigkeitsparametern
erhalten werden, der im Vergleich zu herkömmlichen WIG-Verfahren groß und hoch
ist.
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Dennoch
kann es schwierig sein, diese Übertragungsart
durch eine herkömmliche
Brennerkonfiguration zu erhalten, da bei einem solchen Brenner der
Draht parallel oder horizontal in Bezug auf die Oberfläche der
ein oder mehreren zu schweißenden
Teile geführt
wird und folglich das Schmelzbad berührt, ohne in den Lichtbogen überführt zu werden.
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Daher
wird das Verfahren der Erfindung vorzugsweise mit einem Brenner
mit einem Schmelzdraht, der die Wand der Düse in einem Winkel (α) kleiner
als 50° durchquert,
beispielsweise einem Brenner, der ähnlich oder gleich zu jenem
ist, der in dem Dokument
EP-A-1459831 beschrieben
ist, durchgeführt.
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Die
Drahtzuführung,
die in den Brenner integriert ist, erfolgt in einem Winkel (α) im Allgemeinen
in der Größenordnung
von 10° bis
20° und
beispielsweise in der Größenordnung
von 15° bis
20° in Bezug
auf die Achse der nicht schmelzbaren Elektrode des Brenners, und
zwar unter Einhaltung eines geringen Abstandes zwischen dem Ende
des Drahts und dem Ende des Kegels der Wolframelektrode von beispielsweise
1 mm oder gleich dem Durchmesser des Schweißdrahts.
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Um
eine wirksame Metallübertragung
durch Flüssigkeitsbrücke zu erreichen,
muss in jedem Fall das Ende des Schmelzdrahts ständig in einem Abstand D geführt und
gehalten werden, der kleiner als etwa 2 mm in Bezug auf das Ende
der Wolframelektrode ist, d. h., dass der Abstand zwischen der Außenfläche des Schmelzdrahts
und der Elektrode etwa 2 mm nicht überschreiten darf und vorzugsweise
in der Größenordnung von
1 mm liegt. Tatsächlich
wird es dann, wenn der Draht/Elektrode-Abstand D zu groß, d. h. größer als 2 mm, wird, sehr schwer
oder gar unmöglich,
eine wirksame und dauerhafte Übertragung
durch Flüssigkeitsbrücke zu erreichen.
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Die
Konfiguration eines solchen Brenners ermöglicht folglich das Durchführen des
Verfahrens der Übertragung
von Metall durch Flüssigkeitsbrücke beim
robotischen, automatischen und manuellen Schweißen.
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Eine
Variante der Anwendung kann eine Brennerkonfiguration mit zwei Drahtzuführungen,
die einander gegenüberliegend
und senkrecht zur Trennebene angeordnet sind. Dies ermöglicht das
Durchführen
von Auftragungsanwendungen oder die Anwendung auf die Herstellung
sehr großer
Raupen, da dies das Vergrößern der
Toleranz für
den Zwischenraum zwischen den zu verschweißenden Teilen ermöglicht.
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Die Übertragung
durch Flüssigkeitsbrücke gemäß der Erfindung
bietet die folgenden Vorteile:
- – einen
Stoßpunkt
unterhalb des Lichtbogens, was die Positionierung des Brenners bzw.
der Fackel erleichtert,
- – eine
unmittelbar in das Bad gelenkte ununterbrochene Übertragung von Metall,
- – ein ästhetisches
Aussehen der Schweißraupe
hoher Qualität,
- – eine
stetige Gegenwart einer Übertragungskraft
durch Oberflächenspannung,
die die Arbeit an Ort und Stelle erleichtert,
- – eine
Regelbarkeit des Drahtgeschwindigkeitsparameters, da ein Drahtüberschuss
in dem Bad absorbiert werden kann,
- – eine
Herstellung von Schweißraupen
in mehreren Richtungen ohne Änderung
der Orientierung des Drahts auf Höhe des WIG-Brenners.
- – Der
Draht durchquert die heißesten
Zonen des Lichtbogens, was eine Vorheizungswirkung auf den Draht hat
und einen größeren Nutzeffekt
sowie eine höhere
Geschwindigkeit bedeutet. Dieses Phänomen tritt in dem durch US-A-2791673 beschriebenen
Verfahren "Heißer Draht" auf, wo die Vorheizung
durch den Joule-Effekt in dem Zusatzmetall verwirklicht wird. Jedoch
wird gemäß der Erfindung
die Vorheizenergie direkt durch den Lichtbogen geliefert und nicht
durch eine andere energetische Quelle wie nach dem Verfahren "Heißer Draht".
- – Nach
dem Schweißen,
beim Erlöschen
des Lichtbogens, ist der Draht spitz geformt, was das Schmelzen des
Drahts bei der Herstellung einer neuen Raupe erleichtert.
- – eine
Möglichkeit
zum Verwirklichen von Schweißsynergien
wie bei dem MIG/MAG-Schweißverfahren.
Die bevorzugte Drahtgeschwindigkeit ergibt sich in Abhängigkeit
der von der Bedienungsperson gewählten
verschiedenen Parameter: zu verbindender Werkstoff, Beschaffenheit
und Durchmesser des Schweißdrahts, Intensität, Schutzgas,
Schweißgeschwindigkeit
usw.
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Die
Erfindung wird verständlicher
anhand der nachstehend gegebenen Erläuterungen, wobei auf die angehängten veranschaulichenden
Figuren Bezug genommen wird.
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1 zeigt
das, was unter "Übertragung
durch Flüssigkeitsbrücke" gemäß der Erfindung
verstanden wird, nämlich
einen ununterbrochenen Übergang
des Zusatzmetalls 3, das in dem durch die Wolframelektrode 4 erzeugten
Lichtbogen 5 geschmolzen wird, zwischen dem Ende des Schweißdrahts 1 und
dem Metallschmelzebad 2 durch die Begünstigung eines Strahls oder
einer Brücke 3 aus
flüssiger
Metallschmelze, derart, dass die gewünschte Schweißnaht 6 zwischen
den durch Schweißen
zu verbindenden Teilen 8 erhalten wird.
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Wie
ersichtlich ist, erfolgt die Ankunft des Schmelzdrahts 1 in
einem Winkel (α)
von im Allgemeinen in der Größenordnung
10° bis
25° und
beispielsweise in der Größenordnung
von 15° bis
20° in Bezug
auf die Achse der nicht schmelzbaren Wolframelektrode 4,
wobei die Oberfläche
oder das Ende des Schmelzdrahts 1 ständig in einem Abstand (D) kleiner
als 2 mm in Bezug auf die Oberfläche
des Endes der Wolframelektrode 4 geführt und gehalten wird.
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2 stellt
schematisch eine Übertragung
durch Tropfen 7 gemäß dem Stand
der Technik dar. In diesem Fall ist keine ständige Flüssigkeitsbrücke zwischen der Elektrode 4 und
dem Schweißbad 2 vorhanden, wobei
ferner das Ende des Schmelzdrahts gewöhnlich nicht ständig in
einem Abstand kleiner 2 mm in Bezug auf das konische Ende der Elektrode
geführt
oder gehalten wird.
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3 zeigt
die Häufigkeit
bzw. Frequenz der Tropfen in Abhängigkeit
von der Drahtgeschwindigkeit bei einer Intensität von 200 A, einer Schweißgeschwindigkeit
von 2 m/min und einem CuSi3-Draht mit einem Durchmesser von 1 mm.
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Auf
dem Gebiet der Übertragung
durch Tropfen bringt die Erhöhung
der Drahtgeschwindigkeit die Erhöhung
der Tropfenfrequenz bis zum Auftreten einer Übergangsschwelle zur Übertragung
durch Flüssigkeitsstrahl
mit einer Tropfenfrequenz, die gleich null ist, mit sich.
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Die
nachstehende Tabelle gibt Beispiele für Schweißparameter an, die angenommen
werden können, um
das Verfahren der Erfindung im Fall einer Schweißgeschwindigkeit (Vs) im Bereich
von 100 bis 200 cm/min bei einem Drahtwinkel in der Größenordnung
von 15° bis
20° und
einem Elektrode/Draht-Abstand (D) von etwa 1 mm durchzuführen. Tabelle
| Geschweißter Werkstoff | Dicke (in mm) | Gas | Draht | U
[V] | I
[A] | Vfmin (m/min) | Vfmax (m/min) | VS (m/min) | Konfiguration |
| Kohlenstahl | 2 | Arcal 10 | G3Si1 ⌀1 | 11 | 160 | 1 | 1,6 | 1 | Außenecke |
| Kohlenstahl, galvanisiert
(10 μm) | 1 | Arcal 10 | CuSi3 ⌀1 | 13 | 200 | 5,8 | 7 | 2 | Kehlnaht |
| Inox
304L | 2 | Arcal 10 | 308 ⌀1 | 14,5 | 210 | 4,8 | 5,6 | 1,5 | Kehlnaht |
| Kohlenstahl, galvanisiert
(10 μm) | 1 | Arcal 1 | CuAl8 ⌀1 | 14 | 180 | 5,5 | 6,8 | 1,75 | Kehlnaht |
| Kohlenstahl | 1 | Arcal 10 | CuSi3 ⌀1 | 13 | 150 | 3,2 | 3,8 | 1 | Schmelzlinie |
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ARCALTM 10 ist ein Gas, das Argon enthält, dem
2,5 Vol.-% Wasserstoff zugesetzt worden ist, während ARCALTM 1
ein Gas ist, das reines Argon enthält; diese Gase werden von L'Air Liquide vertrieben.
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Die
minimale (Vf min) und die maximale (Vf max) Drahtgeschwindigkeit
sind jene, die anzuwenden sind, um die Übertragung durch Flüssigkeitsbrücke zu erreichen.
Unterhalb dieser Geschwindigkeiten wird eine Übertragung durch Tropfen erhalten,
während
sich oberhalb von diesen Störungen
des Verfahrens ergeben.
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Die Übertragungsweisen
können
an jedem Werkstofftyp und über
verschiedene Verbindungskonfigurationen erhalten werden: End-zu-End,
mit Kehlnaht, Winkeln und Bördelung.
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Außerdem wurden
zum Validieren des Verfahrens der Erfindung Lebensdauertests der
Wolframelektrode durchgeführt.
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Diese
Prüfungen
der Lebensdauer der Elektrode wurden zuerst ohne Zusatzmetall an
Teilen aus galvanisiertem Stahl mit einer Zink-Oberflächenbeschichtung
mit einer Dicke von 20 μm
durchgeführt.
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Unter
diesen Bedingungen konnten 240 Raupen mit einer Länge von
1 m bei 240 Zündungen/Raupe hergestellt
werden, wobei ohne Elektrodewechsel für eine Gesamtdauer von 240
min geschweißt
wurde. Jedoch wies nach diesen 240 Zündungen/Raupe die Wolframelektrode
in ihrem unteren Abschnitt eine Abnutzung auf, nämlich das Auftreten von Wolframwarzen.
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Der
Test wurde unter denselben Bedingungen wiederholt, jedoch mit einem
schmelzbaren Schweißdraht
und einer "Flüssigkeitsbrücke" gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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In
diesem Fall konnten 270 Zündungen/Raupe
verwirklicht werden, also 30 Raupen mehr, und zwar ohne bemerkenswertes
Auftreten von Warzen am Ende der Elektrode.
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Außerdem wurde
in Anbetracht dessen, dass der Schweißdraht einen "Schirm" gegen die von der
Beschichtung der zu verschweigenden Teile stammende Zinkdämpfe bildet
und diese daran hindert, die Wolframelektrode zu verschmutzen, eine
Schutzwirkung des Drahts gegen die Verschmutzung der Elektrode durch Zinkdämpfe, festgestellt.
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Diese
Versuche zeigten die Wirksamkeit des Verfahrens der Erfindung, da
es ermöglicht,
die Anzahl der Zündungen
und folglich der herstellbaren Raupen mit derselben Wolframelektrode
unter den oben genannten Bedingungen, d. h. mit schmelzbarem Schweißdraht,
um fast 10% zu erhöhen.
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Durch
Optimierung der Parameter und der Bedingungen des Schweißens kann
erwartet werden, einen noch größeren Gewinn
zu erzielen.
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Das
Verfahren der Erfindung ist für
das Schweißen
jedes Werkstofftyps und an verschiedenen Verbindungskonfigurationen,
insbesondere für
End-zu-End, mit Kehlnaht, Winkeln und Bördelung, anwendbar.